钢管混凝土拱桥脱空问题研究分析

张波波

【摘 要】根据对某钢管混凝土拱桥的完全脱空和正常状态的位移及稳定性对比分析计算，研究脱空对拱桥结构的具体影响，并总结出一些减轻脱空影响的相应措施，可有效避免钢管拱桥出现大规模的脱空，促进和推动钢管混凝土拱桥的发展。

【关键词】拱桥;钢管混凝土;脱空;稳定性;自振特性

中图分类号： U441;U448.22 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）12-0181-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.088

0 引言

钢管混凝土拱桥比传统拱桥的优点是自重荷载以及受到的风荷载等较小，跨径选择多，承载能力高，拱肋曲线优美，与周围环境可以完美契合，在一段时期的拱桥的桥型选择上是优先选项，但根据对运营期间的钢管混凝土拱桥进行实际调查，这种桥型也有缺陷，拱肋混凝土与钢管之间脱空很容易出现脱空的现象，影响了这种桥型的正常发展，因为脱空直接减弱了钢管混凝土桥型的最大优势，即对钢管和混凝土之间的套箍约束作用。

1 工程概况

钢管混凝土组合拱桥总跨径为192m，钢管拱肋采用钢管混凝土空间四肢式桁架结构，计算跨径为129m，矢跨比为1/3.5。拱肋内倾角为0，两肋的宽度为1.55m，高度为2.5m，肋间中距为11m。上弦管曲线采用悬链线+圆曲线，尺寸为φ351×12mm钢管，下弦管曲线采用悬链线，尺寸为φ351×16mm钢管，拱脚位置进行加强，将拱脚向上到1/8L处四肢使用钢板连接成哑铃型，上下弦管内部灌注混凝土。边孔为钢筋混凝土箱形截面拱桥，曲线为悬链线，计算跨径为23.8m，矢跨比为1/2。横向的两条拱肋间共设置7道横撑，结构形式为桁架一字式横撑，吊杆处横梁为预制预应力钢筋混凝土工字梁，行车道板采用预制混凝土T形梁。

2 模型建立

通过力学抽象，根据实际的结构资料，采用空间有限元分析软件建立拱桥全桥空间力学模型。模型中的各种必须参数符合实际结构参数，上下弦管、吊杆、横梁、立柱、帽梁、上部T梁等采用梁单元模拟，拱脚位置的弦管间钢板采用板单元模拟，模型中共有节点1302个，梁单元2634个，板单元104个。

3 脱空高度

根据对拱桥的实际调查，钢管混凝土拱肋的混凝土空洞的大小、形状、范围、在截面的位置、在拱肋的位置都不一样，为了简化计算， 假定空洞都出现在上部，钢管内混凝土空洞高度为h。因为各个拱桥的钢管直径不同，空洞也不同，为了全面的分析空洞对拱桥的影响，对空洞高度h的取值为0mm-100mm。

4 脱空影响分析

4.1 脱空对拱肋线形的影响

拱桥除了材料比较重要，合理的线形控制才是保证拱桥正常运营状态的最重要因素，在拱桥施工时除了应力监测，也要重点监测拱肋的线形标高，如果线形与原设计线形有差别，很容易改变拱肋的内力应力分布，拱肋极易产生脱空现象，而如果发生脱空现象会不会影响影响拱肋的线形，本文对脱空状态下的拱桥位移进行计算。

拱桥受力荷载为：拱桥恒载+移动荷载+风载，粘结状态和完全脱空两种状态，计算结果如下图所示：

根据上图得出结论：脱空确实减弱了拱肋的竖向刚度，拱肋的竖向位移增大，其中拱肋跨中位置幅度最大，从这计算結果可知脱空和线形控制是相互作用的。

4.2 脱空对稳定性的影响

接下来研究计算脱空对拱桥稳定性的影响，在相同的荷载作用下比较脱空和粘结两种状态下拱桥的稳定安全系数及失稳模态：

从以上的计算结果可见：

各种状态的失稳模态皆为面外半波对称失稳，没有变化，但结构的稳定安全系数有所改变首先脱空降低了结构的稳定安全系数，完全脱空下安全系数下降了36%，另外在h从0mm到100mm的过程中，结构稳定安全系数一直下降，但其下降的幅度不同，当h达到20mm时，一阶结构稳定安全系数下降幅度很小，当脱空高度〉20mm时，结构稳定安全系数幅度增大，下降了6.7%。

4.3 脱空位置对稳定性的影响

脱空会发生在拱桥的任何位置，本文对在关键控制点（下弦拱脚、L/8、L/4、3L/8、L/2）处出现脱空现象时稳定性的变化进行研究计算，为方便计算，假定控制点位置处两侧的两根上下钢管脱空，计算结果如下：

根据计算结果可知，脱空发生在各个位置首先失稳模态皆为横向半波对称弯曲，未发生变化，但安全系数会下降，当在拱顶位置出现脱空时，稳定安全系数最小，在拱脚位置出现脱空对稳定安全系数影响最小。

5 总结及防治措施

经过以上计算结果可知，脱空问题会弱化拱肋的竖向和横向刚度，在相同荷载作用下脱空状态下拱桥竖向位移比完全粘结状态下的位移要大，虽然各阶的面外失稳模态没变，但脱空降低了拱桥的稳定安全系数。脱空降低了拱桥的受力性能，影响了拱桥正常运行及寿命，但在实际情况中脱空不可避免，需要采取一些相应措施尽可能减轻脱空的影响。

5.1 前期预防

在设计阶段采用保守安全的计算方法例如计算中不考虑钢管与混凝土之间的相互作用，虽然会增加了点成本，但会比较安全，另外在设计时还有采用合适的拱桥参数如含刚率、合理的内倾角、横向支撑形式和位置等来增强拱桥刚度，减轻脱空的影响。

5.2 中期预防

在施工阶段严控各个流程，清除管内杂物，使用水泥浆润滑钢管，避免出现泵送混凝土堵塞，均匀振捣混凝土，排除管内多余空气，也可以多加一些构造措施，如在管内壁设置一些纵向加劲肋，在拱肋内部设置横向的内法兰盘，内法兰盘不与拱肋的内壁不紧密连接，并且内法兰盘表面在周围开设洞，在施工过程中基本会形成空腔，可以避免钢管变形。

5.3 后期补救

当预防措施失效，在施工完毕后或者运营阶段发现拱桥出现脱空现象，需要采用一些措施进行补救。一种方法是在检测出空洞的位置进行开孔，补入改性环氧砂浆进行密实，施工完毕进行二次检测，这种方法的缺陷是对钢管有损伤，影响美观，而且有可能出现二次空洞，另外一个方法是在原拱桥的钢管外再套上一个环，材料是钢管混凝土，分段施工，采用法兰螺栓连接，可提高拱桥的承载力，但这种方法的缺点是费用较高，施工困难。

【参考文献】

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